Truque simples de luz revela caminhos cerebrais ocultos em detalhes microscópicos

Muitas doenças perturbam estas redes delicadas. No cérebro, os danos nas conexões das fibras aparecem em quase todos os distúrbios neurológicos, onde contribuem para alterações na comunicação neural.

Embora essas estruturas microscópicas desempenhem papéis essenciais, há muito que são difíceis de estudar. Os pesquisadores têm lutado para determinar como as fibras são orientadas dentro dos tecidos, o que tornou difícil compreender completamente como elas mudam na saúde e na doença.

Um método simples para revelar microestrutura oculta

Uma equipe de pesquisa liderada por Marios Georgiadis, PhD, instrutor de neuroimagem, introduziu agora uma abordagem que torna visíveis esses padrões de fibras difíceis de ver com clareza excepcional e a um custo relativamente baixo.

Sua técnica, descrita em Comunicações da Naturezaé conhecido como imagem computacional de luz dispersa (ComSLI). Ele pode revelar a orientação e organização das fibras teciduais com resolução micrométrica em praticamente qualquer lâmina histológica, independentemente de como ela foi corada ou preservada – mesmo que a lâmina tenha muitas décadas.

Michael Zeineh, MD, PhD, professor de radiologia, atuou como co-autor sênior com Miriam Menzel, PhD, ex-aluna visitante no laboratório de Zeineh.

“A informação sobre as estruturas dos tecidos sempre esteve lá, escondida à vista de todos”, disse Georgiadis. “O ComSLI simplesmente nos dá uma maneira de ver essas informações e mapeá-las.”

Como o ComSLI mapeia a orientação da fibra

As estratégias tradicionais de imagem apresentam limitações significativas. A ressonância magnética pode destacar grandes redes anatômicas, mas não consegue capturar pequenas estruturas celulares. As técnicas histológicas geralmente exigem colorações especializadas, equipamentos de última geração e amostras cuidadosamente preservadas, e ainda têm dificuldade para representar claramente os cruzamentos de fibras.

O ComSLI baseia-se num princípio físico básico: quando a luz encontra estruturas microscópicas, dispersa-se em diferentes direcções com base na sua orientação. Ao girar a fonte de luz e registrar como o sinal de dispersão muda, os pesquisadores podem reconstruir a direção das fibras dentro de cada pixel de uma imagem.

O método requer apenas uma luz LED rotativa e uma câmera de microscópio, tornando a configuração acessível em comparação com outras formas de microscopia avançada. Depois que as imagens são coletadas, o software analisa padrões delicados na luz espalhada para gerar mapas codificados por cores de orientação e densidade das fibras, conhecidos como distribuições de orientação de fibras informadas por microestrutura.

O ComSLI não está limitado pela preparação da amostra. Funciona com seções fixadas em formalina e embebidas em parafina (um padrão em hospitais e laboratórios de patologia), bem como lâminas recém-congeladas, coradas ou não coradas.

Os cientistas também podem revisitar slides originalmente criados para projetos não relacionados, mesmo aqueles armazenados há décadas, permitindo novos insights estruturais sem alterar as amostras.

“Esta é uma ferramenta que qualquer laboratório pode usar”, disse Zeineh. “Você não precisa de preparação especializada ou equipamentos caros. O que mais me entusiasma é que essa abordagem abre a porta para qualquer pessoa, desde pequenos laboratórios de pesquisa até laboratórios de patologia, descobrir novos insights a partir de slides que já possuem.”

Mapeando Microestrutura Neural e Doenças

Um dos principais objetivos da neurociência tem sido mapear os caminhos microscópicos do cérebro com alta precisão. Usando o ComSLI, Georgiadis e colegas visualizaram seções completas do cérebro humano fixadas em formalina e embebidas em parafina e lâminas de tamanho padrão, revelando estruturas detalhadas de fibras em todo o tecido.

Eles também examinaram como essas fibras mudam em condições neurológicas, como esclerose múltipla, leucoencefalopatia e doença de Alzheimer.

Um dos focos foi o hipocampo, uma região profunda do cérebro central para a formação e recuperação da memória e frequentemente afetada no início da neurodegeneração. Ao comparar uma secção do hipocampo de um paciente com doença de Alzheimer com uma amostra saudável, a equipe observou uma clara deterioração estrutural. Os cruzamentos de fibras que normalmente ajudam a conectar regiões do hipocampo foram bastante diminuídos, e uma via principal responsável por trazer sinais relacionados à memória para a região (a via perfurante) era pouco visível. O hipocampo saudável, por outro lado, apresentava uma rede densa e interligada de fibras em toda a área. Com esses mapas detalhados, os pesquisadores podem ver como os circuitos de memória se rompem à medida que a doença progride.

Para testar os limites do método, os investigadores analisaram uma secção do cérebro preparada em 1904. Mesmo nesta amostra centenária, o ComSLI identificou intrincados padrões de fibras, permitindo aos cientistas estudar espécimes históricos e explorar como as características estruturais evoluem ao longo das gerações de doenças.

Aplicações além do cérebro

Embora inicialmente projetado para pesquisas sobre o cérebro, o ComSLI também funciona bem em outros tecidos. A equipe utilizou-o para estudar amostras de músculos, ossos e vasculares, cada uma revelando arranjos únicos de fibras ligados às suas funções biológicas.

No músculo da língua, o método destacou orientações de fibras em camadas ligadas ao movimento e flexibilidade. No osso, capturou fibras de colágeno que se alinham com o estresse mecânico. Nas artérias, mostrou camadas alternadas de colágeno e elastina que sustentam força e elasticidade.

Esta capacidade de mapear a orientação das fibras entre espécies, órgãos e espécimes de arquivo pode mudar significativamente a forma como os cientistas investigam a estrutura e a função. Isso também significa que milhões de slides armazenados em todo o mundo podem conter informações microestruturais inexploradas.

“Embora tenhamos acabado de apresentar o método, já existem vários pedidos para digitalizar amostras e replicar a configuração do ComSLI – muitos laboratórios e clínicas gostariam de ter orientação de fibra com resolução de mícron e microconectividade em suas seções histológicas”, disse Georgiadis. “Outro plano interessante é voltar a arquivos cerebrais bem caracterizados ou seções cerebrais de pessoas famosas e recuperar essas informações de microconectividade, revelando ‘segredos’ que foram considerados há muito perdidos. Esta é a beleza do ComSLI.”